La espectroscopia de absorción de gas en medios dispersos ( GASMAS ) es una técnica óptica para detectar y analizar gases ubicados dentro de sólidos porosos y altamente dispersos, por ejemplo, polvos, cerámicas, madera, frutas, paquetes translúcidos, tabletas farmacéuticas, espumas, senos paranasales humanos, etc. Fue introducida en 2001 por el profesor Sune Svanberg y colaboradores de la Universidad de Lund (Suecia). [1] La técnica está relacionada con la espectroscopia láser de alta resolución convencional para detección y espectroscopia de gas (por ejemplo, espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable , TDLAS), pero el hecho de que aquí el gas esté "escondido" dentro de materiales sólidos da lugar a diferencias importantes.
Los gases libres presentan características espectrales muy definidas y las diferentes especies de gases tienen sus propias huellas espectrales únicas. A presión atmosférica, los anchos de línea de absorción suelen ser del orden de 0,1 cm −1 (es decir, ~3 GHz en frecuencia óptica o 0,006 nm en longitud de onda), mientras que los medios sólidos tienen un comportamiento espectral opaco con características de absorción mil veces más anchas. Al buscar las huellas de absorción nítidas en la luz que emerge de muestras porosas, es posible detectar gases confinados en sólidos, aunque el sólido a menudo atenúa la luz mucho más que el propio gas.
El principio básico de GASMAS se muestra en la figura 1. La luz láser se envía a una muestra con cavidades de gas, que pueden ser pequeños poros (izquierda) o cámaras más grandes llenas de gas. La naturaleza heterogénea del material poroso a menudo da lugar a una fuerte dispersión de la luz, y las longitudes de trayectoria suelen ser sorprendentemente largas (no es raro que sean 10 o 100 veces la dimensión de la muestra). Además, la luz experimentará una absorción relacionada con el material sólido. Al viajar a través del material, la luz viajará parcialmente a través de los poros y, por lo tanto, experimentará la absorción de gas espectralmente nítida. La luz que sale del material transportará esta información y puede ser recogida por un detector en modo de transmisión (izquierda) o en modo de reflexión (derecha).
Para detectar las huellas espectrales nítidas relacionadas con el gas, GASMAS ha recurrido hasta ahora a la espectroscopia de absorción por láser de diodo sintonizable de alta resolución (TDLAS). En principio, esto significa que se escanea un láser casi monocromático (de ancho de banda estrecho) a lo largo de una línea de absorción del gas y un detector registra el perfil de transmisión. Para aumentar la sensibilidad, a menudo se emplean técnicas de modulación.
La fuerza de la absorción del gas dependerá, como se indica en la ley de Beer-Lambert , tanto de la concentración del gas como de la longitud del camino que la luz ha recorrido a través del gas. En el TDLAS convencional, la longitud del camino es conocida y la concentración se calcula fácilmente a partir de la transmitancia. En el GASMAS, la dispersión extensiva hace que la longitud del camino sea desconocida y la determinación de la concentración de gas se complica. Sin embargo, en muchas aplicaciones, la concentración de gas es conocida y otros parámetros están en el punto de mira. Además, como se analiza en 2.2, existen técnicas complementarias que pueden proporcionar información sobre la longitud del camino óptico, lo que permite evaluar también las concentraciones de gas.
Es bien sabido que la interferencia óptica es a menudo un problema importante en la espectroscopia de gases basada en láser. [2] [3] En los espectrómetros de gases basados en láser convencionales, la interferencia óptica se origina, por ejemplo, a partir de efectos de interferencia de tipo etalón en (o entre) componentes ópticos y celdas de gas de múltiples pasos. A lo largo de los años, se han dedicado grandes esfuerzos para manejar este problema. El diseño óptico adecuado es importante para minimizar la interferencia desde el principio (por ejemplo, inclinando los componentes ópticos, evitando la óptica transmisiva y utilizando un revestimiento antirreflejo), pero los patrones de interferencia no se pueden evitar por completo y, a menudo, son difíciles de separar de la absorción de gas. Dado que la espectroscopia de gases a menudo implica la medición de pequeñas fracciones de absorción (hasta 10 −7 ), el manejo adecuado de la interferencia es crucial. Las contramedidas utilizadas incluyen diseño óptico personalizado, [4] modulación láser personalizada, [5] tramado mecánico, [6] [7] [8] [9] posprocesamiento de señales, [10] modulación de muestras, [8] [11] [12] y registro de línea de base y sustracción de interferencias. [13]
En el caso de GASMAS, la interferencia óptica es particularmente engorrosa. [14] Esto está relacionado con la grave interferencia de tipo moteado que se origina a partir de la interacción entre la luz láser y materiales sólidos altamente dispersantes. [9] Dado que esta interferencia altamente no uniforme se genera en el mismo lugar que la señal de servicio, no se puede eliminar por diseño. Las propiedades ópticas del material poroso en estudio determinan el patrón de interferencia, y el nivel de interferencia no es raramente mucho más fuerte que las señales de absorción de gas reales. Se ha encontrado que el tramado mecánico aleatorio (por ejemplo, tramado del haz láser y/o rotación de la muestra) es eficaz en GASMAS. [9] [15] Sin embargo, este enfoque convierte la interferencia estable en un ruido aleatorio que debe promediarse, lo que requiere tiempos de adquisición más largos. El registro de línea base y la sustracción de interferencia pueden ser aplicables en algunas aplicaciones GASMAS, al igual que otros de los métodos descritos anteriormente.
Véase [16] [17]
Véase [18]
Véase [19]
Véase [9] [15] [18]
Gran parte de los alimentos que consumimos hoy en día se envasan en una amplia variedad de envases para garantizar la calidad de los alimentos y ofrecer la posibilidad de transportarlos y distribuirlos. Muchos de estos envases son herméticos al aire o al gas, lo que dificulta el estudio de la composición de los gases sin perforarlos. En muchos casos, resulta de gran utilidad estudiar la composición de los gases sin destruir el envase.
El mejor ejemplo es el estudio de la cantidad de oxígeno en los envases de alimentos. El oxígeno está presente de forma natural en la mayoría de los alimentos y envases de alimentos, ya que es un componente importante del aire. Sin embargo, el oxígeno también es una de las grandes causas o necesidades del envejecimiento de las sustancias biológicas, debido a que es una fuente de aumento de la actividad química y microbiológica. Hoy en día, se aplican métodos como el envasado en atmósfera modificada (MAP) y en atmósfera controlada (CAP) para reducir y controlar el contenido de oxígeno en los envases de alimentos con el fin de prolongar la vida útil y garantizar la seguridad de los alimentos. Para garantizar la eficacia de estos métodos, es importante medir periódicamente la concentración de oxígeno (y otros gases) en el interior de estos envases. GASMAS ofrece la posibilidad de hacerlo de forma no intrusiva, sin destruir ningún alimento ni envase. Las dos principales ventajas de medir la composición del gas en envases sin perforación es que no se desperdicia ningún alimento en el proceso de control y que el mismo envase se puede controlar repetidamente durante un período de tiempo prolongado para controlar cualquier dependencia temporal de la composición del gas. Los estudios se pueden utilizar para garantizar la hermeticidad de los envases, pero también para estudiar los procesos de deterioro de los alimentos.
Muchos alimentos contienen gas libre distribuido en poros internos. Algunos ejemplos son la fruta, el pan, la harina, las legumbres, el queso, etc. Este gas también puede ser de gran utilidad para estudiarlo a fin de controlar la calidad y el nivel de madurez (véase, por ejemplo , [20] y [21] ).
Véase [22] [23] [24]
